EP2502332A2 - Statorbaueinheit, insbesondere für mehrphasige elektrische maschinen und verfahren zur herstellung einer derartigen statorbaueinheit - Google Patents

Statorbaueinheit, insbesondere für mehrphasige elektrische maschinen und verfahren zur herstellung einer derartigen statorbaueinheit

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EP2502332A2
EP2502332A2 EP10794858A EP10794858A EP2502332A2 EP 2502332 A2 EP2502332 A2 EP 2502332A2 EP 10794858 A EP10794858 A EP 10794858A EP 10794858 A EP10794858 A EP 10794858A EP 2502332 A2 EP2502332 A2 EP 2502332A2
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EP
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stator
coils
coil
stator segment
winding
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Wolfgang Hill
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine

Definitions

  • Stator assembly in particular for multi-phase electrical machines and method for producing such a stator assembly
  • the invention relates to a stator assembly for polyphase electric machine, in detail with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for producing such a stator assembly.
  • the high number of contacts causes a correspondingly high number of joining operations for connection to the interconnection units.
  • Each individual joint connection represents a potential source of error during manufacture as well as later during operation.
  • a central electricity distribution member for an electric induction machine is known, for example, which has the individual phases associated busbars for connecting disposed in the stator of the electric machine coils of the same phases, and a busbar in the insulating section, the a circular retaining groove for receiving a respective busbar and isolating the respective busbars from each other.
  • fixation points are usually determined on the end faces of the bobbin, which serve as deflection points in the laying of the winding and / or fix the coil ends.
  • the laying of the winding wire around the deflection also requires a lot of space and leads to an increase in the conductor length and winding losses.
  • An alternative embodiment is to form an annular Statorbauhow from a unwound laminated core unit, wherein the unfolded grooves are wound continuously with a winding needle and subsequently lifted the settlement and the Connecting lines of the winding wires are guided by means of interconnecting elements axially in front of the coil ends.
  • the winding tool When winding several stator segments with a winding needle, the winding tool requires sufficient working space in the predefined groove area. The coils are thus unable to fill the groove space accordingly, whereby such designs are characterized by a small Nutyoglltex.
  • the adjacent pole-forming stator segments are spaced apart during winding, whereby the connections between the circumferentially adjacent coils have an excess length which in the final stator assembly is characterized by increased space requirements for placement and fixation and increase interconnection losses.
  • Another significant disadvantage of the known embodiments is that in addition to the additional space requirement of the production cost and the cost of realizing the connections between the individual coil ends and the interconnection elements itself is very large.
  • the invention is therefore based on the object, a Statorbauech for an electric machine with individually wound each polrelienden stator segments such that the required length of Statorbauech in the axial direction including the required interconnection can be kept short and the winding resistance for the windings of one phase low.
  • the production should be possible in larger series with minimal cost and be automated if possible.
  • the solution according to the invention is characterized by the features of claim 1.
  • the method according to the invention is characterized by the features of claim 10.
  • Advantageous embodiments are described in each case in the subclaims.
  • a stator assembly for multi-phase machines having a plurality of circumferentially spaced apart to form grooves and forming a yoke or connectable with a yoke, wound with coils soft magnetic stator segments, wherein at least two coils of a phase are connected in series, characterized in that at least two stator segments of a phase form at least one stator segment chain, the coils of which and the connection of the coils to one another being formed by at least one continuous winding wire.
  • only one continuous winding wire or several parallel wound winding wires are used within the stator segment chain, which have corresponding connections at the beginning and at the end, which are required for the contacts with the supply lines.
  • stator assembly is thus characterized by a short axial length.
  • At least two stator segments of a stator segment chain are arranged immediately adjacent to one another in the circumferential direction, wherein the coils of these stator segments have an opposite winding sense and the connection between the coils can be described by a short connecting path of the first or second type.
  • the distinction between links of the first and second type is carried out in dependence on the position of the coil end of the upstream coil of a phase strand. If the coil terminates at the upstream stator segment in the common groove to the coil located downstream in the phase strand, a particularly short connection can be achieved.
  • connection route of the first type is a so-called short short connection between the coils arranged adjacent to each other, which by guiding the winding wire from the coil end the common groove of the phase strand upstream coil is realized at the beginning of the downstream in the phase strand coil by the wire is arranged in the radial connecting paths in the space of the recess between the coil ends of the adjacent coils.
  • connection to the downstream in the phase strand coil as a connecting path of the second type is longer and initially passes over the coil head of the upstream coil, since the last turn of the upstream coil ends after passing through the boundary groove with another adjacent stator segment.
  • the wire path of the connecting path is then guided in the depression between the two coil ends in the yoke or head region and from there to the beginning of the downstream in the phase strand coil.
  • the tangentially extending parts of the connecting paths are either axially in front of the yoke region or axially in front of the pole piece region of the stator assembly.
  • stator segment chain in the circumferential direction spaced apart by more than one stator segment, the offset preferably being 180 degrees. If parts of the stator segments of a stator segment chain are arranged offset from each other in the circumferential direction, the individual parts form stator segment groups.
  • the individual stator segment group is formed from in each case at least one stator segment, preferably a plurality of stator segments.
  • the connection between the stator segment groups is described by a long connecting path of the first or second type, wherein this long connecting path extends over at least one or a plurality of intermediate stator segments.
  • the individual stator segment groups comprise stator segment pairs with two stator segments arranged adjacent to one another in the circumferential direction, the winding direction between the stator segments of a pair of stator segments, as already described, being in opposite directions.
  • Each of the individual stator segment groups may also consist of more than two stator segments, whereby here too the statement regarding the winding sense applies with respect to one another in the circumferential direction of adjacent stator segments. Over the long links there is the possibility of coupling stator segments of a phase string which are placed and secured at different locations on the circumference of the stator assembly.
  • stator segment chains which are characterized by the connection of the coils in the circumferential direction of adjacent stator segments
  • Statorsegmentketten which may extend over a very large extension area in the circumferential direction of a stator assembly, are free of joints between the individual coils of the individual stator segments and are characterized only at the beginning and at the end of the individual Statorsegmentkette by a corresponding connection.
  • very compact stator segment chains can be prefabricated and stored and, in a simple manner, later assembled to form a stator assembly when using short connecting paths of the first or second type alone.
  • this also applies to the Statorsegmentketten with long connections or a combination of short and long connections.
  • stator segment chains can be used, which are characterized by the arrangement and design of stator segments with coupled coils with short connections and with long connections.
  • stator assembly only from stator segment chains with short connections.
  • the connecting paths between two successive individual coils to the end face of the soft magnetic stator segments are characterized essentially by an axial distance which exceeds the maximum distance of the outer coil head surface by less than a wire thickness.
  • the connecting paths between two successive coils of a stator segment chain to the end face of the individual stator segments are arranged at a distance in the axial direction, which corresponds at most maximally to the maximum distance of the bobbin surface.
  • the connections are laid in the axial coil head area and do not require additional space in the axial direction.
  • the latter possibility is characterized by a small, in particular largely avoiding the extension of the connecting lines in the axial direction outside of the coil ends.
  • connection between two coils of a Statorsegmentkette descriptive connecting path at least partially in the radial direction in a recess between two circumferentially arranged successively arranged coil ends.
  • two possibilities are differentiated in the course of the connecting paths in the tangential direction and in the axial direction within the extension of the turns of the outer layers of coils extending coil, wherein the first through the outlet of the coil end of the upstream coil in the winding direction from the common groove with the circumferential direction subsequent stator segment and the surrounding coil is characterized.
  • the second embodiment is characterized by the outlet of the coil end of the upstream coil in the winding direction from the non-common groove and the course of the wire over the coil head for recessing the coil heads before in the common groove.
  • the characterizing winding wire course along the individual stator segments arranged in the circumferential direction is such that the available space at the individual coils themselves, due to the winding and the space of the turns of the top layer relative to the pad remains free , is used to guide the winding wire.
  • the area of the coil is used which is free of turns of the upper layer.
  • the long connection can be shifted into the arrangement plane of the individual coils.
  • the ends of the stator segment chains which form a winding are preferably distributed uniformly circumferentially around the circumference and the number of end pairs corresponds to the number of phases or a multiple of the number of phases.
  • the points of intersection between the long connecting sections lie in the region of the depression between two coil ends of different stator segment groups. This makes it possible to press at the crossing points closer to the soft magnetic stator winding wire from the overlying winding wire in the recess, so that the lower wire is axially deformed and the upper wire at a distance corresponding to the distance of the outer layer in the coil head run can.
  • winding wire is preferably a round wire use.
  • the winding of the individual coils themselves takes place to achieve a high filling density in an advantageous manner orthocyclic.
  • the method according to the invention is essentially determined by the method steps which are described below.
  • stator segment chains of all phases to a ring and alignment / fixture.
  • stator segments to be wound are arranged stationary and the winding wire is guided, for example by means of a winding needle or the stator is moved relative to the winding wire. Both possibilities can also be realized when winding the stator segment chains.
  • stator-segment pairs that is to say stator segments which are arranged directly successively in the installed position in the circumferential direction.
  • the winding tool used for the winding process comprises a carrying device with at least two different receiving or supporting axles for the stator segments, the carrying axle being tilted at an angle to one another for winding the stator segment following in the stator segment chain with respect to the supporting axis of the upstream stator segment this tilted state, the wrapping is done to produce the short link between the coils of the circumferentially successive stator segments.
  • the short connecting path can be generated directly in the angular range of the stator segments positioned in this way, with the connection then passing between in the installed position. chen end portions of the stator is carried out or taking advantage of the tilting characterizing angle. In the latter case, the connection path describes the connection between in the installation position in the radial direction different end portions of the stator segments.
  • stator segments can be aligned again and the end position are spent relative to each other, which is done by tilting the support shaft in a plane with the support shaft of the upstream stator segment. This process can take place in the context of prefabrication or by tilting each of the center axes of the stator segments to each other only during assembly.
  • the individual stator segment chains are preferably formed from multi-pole stator segment sectors with short connections of the first type and connections of the second type and long connections between the multi-pole stator segment sectors, the assembly of the individual stator segment chains of the individual phases occurs one after the other. It is sufficient for the alignment of the stator segment of the first phase to be mounted still a simple axial movement. For the second phase, several movements in space are required, which are essentially characterized by radial and axial movements, while for further phases, the respective directions of movement can be further varied, the different connections being allowed by the long connection.
  • the solution according to the invention can be used for the creation of a wide variety of stator structural units with wound stator segments and at least two stator segments per phase. This is not limited to a specific machine type certain phase or Pollustrate a multi-phase electric machine.
  • the electric machine may be an internal rotor or an external rotor machine.
  • FIG. 1 illustrates a perspective view of an advantageous embodiment of a Statorbautician invention in a particularly advantageous embodiment
  • FIG. 2 illustrates, with reference to a section of FIG. 1 for a stator segment, the realization of a short connecting path of the first type between two coils which follow each other in the circumferential direction;
  • FIG. 3 illustrates the embodiment of the long connecting path between the stator segments of two stator segment groups of a stator segment chain on the basis of a section from FIG. 1;
  • FIG. 4 illustrates, by way of example, the arrangement of the individual stator segments for winding
  • Fig. 5 illustrates by way of example the resulting arrangement and interconnection of the coils of the stator segment chain B in functional position
  • FIG. 6 illustrates, on the basis of a process flow diagram, the sequence of a method according to the invention for producing a stator assembly.
  • FIG. 1 shows, in a simplified schematized representation, a perspective view of the basic structure of a stator assembly 1 designed according to the invention for use in electric induction machines.
  • Such machines are preferably used as servo motors in automated transmissions and are therefore characterized by a high power density due to the available space.
  • the electric induction machine can be formed with an external or internal rotor, wherein the stator assembly 1 shown in Figure 1 is used in an electric induction machine with internal rotor.
  • the Statorbautician 1 comprises a plurality of stator segments 2, which are also referred to as poles and consist of a tooth and yoke region 3.
  • the individual stator segments 2 form at the circumference angular sectors of the stator assemblies and abut each other in the yoke region 3, wherein in the illustrated case, the stator segments form a joint 4 approximately in the center of the groove.
  • the individual slalers segments 2 are in the circumferential direction of the stator assembly 1 adjacent to each other to form grooves and are made of a soft magnetic material.
  • the attachment of the yoke 3 in a housing is preferably carried out by pressing the preassembled stator assembly in a housing sleeve, not shown here, in which case reference can be made to a variety of ways that allow easy installation and replacement of the individual stator segments 2.
  • the individual stator segments 2 are arranged in stator segment chains, which are designated here as A to C in execution as Statorbauech 1 for a three-phase induction machine. In each case one stator segment chain A to C is assigned to one phase.
  • stator segment chains A to C consists of at least two stator segments which are wound to form coils 6, wherein the individual coils of a stator segment A to C are each connected in series and according to the invention of a continuous winding wire 7A to 7C are formed, that is free of joints. Instead of just one wire, two or more wires can be wound in parallel.
  • the stator assembly 1 comprises, by way of example, twelve pole-forming stator segments 2, wherein one stator segment chain A to C are each assigned four such stator segments.
  • stator segments of the stator segment chain A are denoted here as 2A1 to 2A4, the stator segments of the stator segment chain B as 2B1 to 2B4, and the stator segments of the stator segment chain C as 2C1 to 2C4.
  • Each stator segment 2A1 to 2C4 is wound with a coil 6A1 to 6C4.
  • the individual coils 6A1 to 6A4 of a phase A are connected in series and are formed by a continuous winding wire 7A free of joints and breaks or required connections.
  • this also applies to the coils 6B1 to 6B4, 6C1 to 6C4 associated with the stator segments 2B1 to 2B4 and 2C1 to 2C4.
  • the latter are each formed by the winding wires 7B and 7C.
  • stator segment chains A to C are characterized by two stator segment groups, in the embodiment shown in Figure 1 in the form of stator segment pairs 8A, 9A and 8B, 9B and 8C, 9C.
  • the individual stator segments of a stator segment group in particular stator segment pair of a stator segment chain A to C, are arranged directly adjacent to each other in pairs in the circumferential direction.
  • stator segments 2A1, 2A2 form the stator segment pair 8A
  • stator segment pair 9A is formed by the stator segments 2A3 and 2A4.
  • stator segment pairs 8B and 9B which respectively consist of stator segments 2B1, 2B2 and 2B3, 2B4 and the stator segment pairs 8C and 9C, which are each formed by stator segments 2C1, 2C2 and 2C3, 2C4 and the associated coils 6A1 to 6C4.
  • the individual stator segments of a Statorsegmentpres, here 2 M , 2 A2 of Statorsegmentpases 8A, 2 B i, 2 B2 Statorsegmentschreibes 8B, 2 C i, 2 C2 of Statorsegmentschreibes 8C and 2 A 3, 2 A4 of Statorsegmentschreibes 9A, 2 B 3, 2 B4 of the Statorsegmentschreibes 9B and 2 C 3, 2o4 of Statorsegmentschreibes 9C are with respect to their coils 6 A i, 6A2 for 8A, 6 B i, 6 B2 for 8B and 6 C i, 6 C 2 for 8C each by means of the Winding wire 7A to 7C characterized by a short connecting path of the first kind 10A, 10B, 10C.
  • a 6 for the Statorsegmentpress 9A, B 6 3, 6 B4 for 9B and 6 C 3, 60 4 for 9C are the short links of the second type 11 A referred to 11C.
  • the stator segment pairs here by way of example the stator segment pair 8A and the stator segment pair 9B of the stator segment chain A, are furthermore coupled to each other via a long connection connecting section 12A, here of the second type.
  • the individual stator segment pairs 8A and 9A of a stator segment chain A are viewed in the circumferential direction opposite each other, that is, offset by 180 degrees to each other.
  • the coils of a Statorsegmentschreibes here 6 A i and 6A2 for the Statorsegmentschreib 8A and 6 A 3, 6 A4 for the Statorsegmentschreib 9A are each characterized by an opposite sense of winding to ensure proper alignment of the resulting electric fields. This applies by analogy in each case also for the coils 6 B i, 6 B2 of Statorsegmentschreibes 8B, 6 B 3, 6 B4 of Statorsegmentschreibes 9B, 6 C i, 6 C 2 of the Statorsegmentschreibes 8C and 6 C 3, 6 c4 Statorsegmentcoveres 9C.
  • stator segment pairs 8A, 9A or 8B, 9B and 8C, 9C coupled to one another via the long connecting paths 12A to 12C are characterized in the concrete embodiment according to FIG. 1 by the coils present at the beginning and at the end of the long connecting section 12A to 12C each have 6 / ⁇ and 6 A3 or 6 B2 , 6 B3 and 6 C 2, 6 C 3 have the same winding sense.
  • All coils 6 A1 to 6 A, 6 B1 to B4 6 and 6 C i ⁇ to 6 are preferably ortho cyclically wound to achieve a high fill factor with a round wire.
  • the orthocyclic winding is characterized in that the available space is optimally utilized by depositing the turns of the upper coil layer in the valleys of the coil layer arranged underneath and the crossings of winding wires 7A to 7C together only in the coil heads, ie outside the grooves, done.
  • the at least two circumferentially successive coils of a Statorsegmentoli here the Statorsegmentprese 8A, 9A, 8B, 9B and 8C, 9C are wound such that the short connection generating connecting path of the first type 10A to 10C or second type 11 A to 11 C in the mounted stator assembly 1 axially does not protrude beyond the winding head forming coil ends.
  • the winding wire 7A is in the range of the short link of the first type 10A by a radial gradient in the well between the coil ends of the coils 6 A i, 6 / ⁇ is characterized.
  • the coil 6 A i, 6A2 of the stator 2 A i, 2A2 of the Statorsegmentpreses 8A formed such that the windings of the coil 6 A i of the stator segment 2 A i end in the region of the common groove 14A formed between them and thus be led directly radially into the region of the yoke 3 and on this radius to the beginning of the coil following in series within the stator segment chain A, here 6A2.
  • connection 11 A is guided radially in the recess between two adjacent coil heads in the yoke region and passes on this radius to the winding in following direction coil 6 A4 in the region of the inner periphery 4 of the yoke.
  • the winding of the following reel 6A2 and 6 A4 starts on the radially outer portion of each stator segment, here 2a_, 2 A4, ie in the region axially in front of the yoke 3.
  • the coil ends are usually in the radially middle groove region, that is, the outer layer of the coil is only partially filled.
  • a long connection of the second type 12A to the coil 6A 3 of the stator segment pair 9A takes place in a particularly advantageous manner in the radially inner end region of the stator assembly 1 in the space not occupied by the outer layers of the coils.
  • the winding wire 7A is tangentially continued on the coil heads of the other phases past the coil 6 ⁇ 2 in the direction of the coil 6 A3 .
  • Such tangential connecting sections in the course of the connections between individual coils, in particular of short connecting paths of the second type 11A and long connecting paths of the second type 12A using the example of the stator segment chain A thus have a distance from the end face of the soft magnetic pole cores in the form of the respectively involved stator segments 2 A i to 2 A4 , which corresponds to the maximum distance of the winding wire 7A in the outer layer of the coils 6 A to 6 A4 .
  • This gradation in the coil or winding heads arises from the fact that the outer or upper layer relative to the outer circumference of the individual stator segment 2 A i to 2 C 4 has fewer turns and these are in the radial direction of the stator 1 radially outward.
  • the tangential width of the individual coil is greater in the installed position in the stator assembly 1 in the radial direction toward the outer circumference than in the region of the inner circumference 15 of the stator assembly 1.
  • the long connections of two Statorsegmentketten intersect, for example, A and B, A and C or B and C.
  • These intersection points are denoted here by 16.1 to 16.3 and are preferably also in the region of a depression between adjacent coil ends, that is, the crossing occurs in such a way in that the axially outer and crossing winding wire is led, starting from an uppermost layer of a preceding coil, over a different winding wire guided along a lower layer of the same coil.
  • the respective ends of the winding wire 7A to 7C of the individual Statorsegmentketten A to C which are respectively designated 7A1 and 7A2 or 7B1, 7B2 and 7C1, 7C2, are in the axial direction from the axial in functional layer plane of arrangement of the stator segments 2 A i to 2c 4 led out.
  • the alignment preferably takes place in the region of an upper layer, wherein the fixing and guiding of the end regions takes place in such a way that they are guided in the radial direction in the region of the yoke 3 and aligned in the radial direction in the center direction and in the region of the extent of the stator segment 2 M to 2 C4 are led out of this, preferably central region in the axial direction.
  • the individual features for the formation of the windings of a phase as one-piece phase strands, that is, free of interruptions, are shown in FIGS. 2 to 3 in a schematically simplified representation.
  • Figure 2 shows this in a detail view of the radial gradient of the short connection characterizing link of the first type 10A between the coils 6 A i and 6 ⁇ 2 ⁇ are recognizable for the individual stator segment 2 A i and 2 ⁇ the embodiments of the coils 6 A i and 6A2 , the end portion 7A1 of the winding wire 7A taken out in the axial direction out of the stator segment plane together with the end portion 7C2 of the winding wire 7C of the stator segment chain C, leading out in the 90 degree direction out of the plane of the stator assembly 1 and thus substantially parallel to the center axis M of the stator assembly 1 takes place.
  • end portion 7A1 which forms the initial portion of the realized through the winding wire 7A series connection of the individual coil 6 A i to 6 A 4 Statorsegmentkette A, relative to the stator 2 A tangentially on the formed on this coil 6 A i to the top layer 17 of the coil 6 A1 and out of the winding area into the intermediate space, here the groove 18 to the stator segments of the stator segment pair 9C.
  • the end region 7A1 is fixed in the region of the yoke 3 or fixed by means of corresponding surface regions 19 of the bobbin of the stator segment 2 A1 , which are formed here by projections.
  • the individual coils 6 A and 6 ⁇ are wound orthocyclically, wherein the upper layers are each stored in the conditional by the cross section of the winding wire gaps.
  • the winding around the circumference of the individual stator segment 2 ⁇ ⁇ takes place at an angle to the radial direction.
  • the guide of the winding wire 7A takes place in the installed position from the radially outer region in the direction of the radial inner circumference 15 of the Statorbauaji and back from this, the passage to the circumferentially in series with this coil 6Ai connected coil 6A 2 in the radial direction between the inner circumference 4 of the yoke 3 and the inner periphery 15 of the Statorbauaji takes place.
  • the winding wire 7A is then via the connection 10A from the coil 6 A i whose end portion extends into the groove 14A, in a radially outward direction in the region or in parallel to the center line of the groove 144A in the radially outer yoke region of the stator segment 2A. 2
  • the guide takes place here within the recess formed by the windings between the coil ends of the individual coils 6 A1 , 6 A2 .
  • a tangential guidance of the winding wire 7A according to the second type is reproduced here for the coil end of the coil 6A2. This ends before the entry into the next groove arranged in the circumferential direction, which is formed between the stator segment 2A2 and the stator segment 2 B3 of the stator segment chain B arranged adjacent to the stator segment 2 ⁇ 2 ⁇ circumferential direction.
  • This guide of the winding wire 7A1 is included in the formation of the long connecting path of the second type 12A for coupling with the stator segment pair 9A (not shown here).
  • FIG. 3 illustrates, with reference to a detail view from FIG. 1, the tangential course of the longer connection 12B in front of stepped coil heads.
  • the winding wire 7B is guided by the stator segment 2 B 2 of the stator segment group 8A to the stator segment 2 B 3 of the stator segment group 9B.
  • the guide along the circumferentially arranged between these stator segments in the illustrated section of the stator 2c 3 , 2c4 , 2 A i, 2A2 , the phases C and A by the at the individual coils 6 C 3, 6 C 4 , 6th A i, 6 / ⁇ due to the gradation between the top layer 17 and an underlying layer 20 provided free space 21.
  • This is based on the position of the stator in functional position in the region of the inner periphery 15 of the stator 1 provided.
  • the single intersection point 16.1 is preferably in the range of gradation between the winding layers of a coil, here 6 / ⁇ and in the region of the depression between two coil heads of different coil pairs (8A, 9B) or immediately adjacent to them.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate a particularly advantageously designed stator assembly 1 with three phases and 12 wound poles.
  • FIG. 4 shows, in a simplified schematic illustration, the course of the connecting sections using the example of the connecting section 12A during manufacture and as a prefabricated stator segment chain A.
  • FIG. 6 illustrates the sequence of the method for producing a stator module 1 on the basis of a signal flow diagram.
  • stator segments of a stator segment chain are provided in a first method step VA and aligned with one another on a winding tool.
  • the arrangement on the winding tool is shown schematically greatly simplified example in Figure 4 for the stator segment A chain.
  • the orientation of the individual stator segments 2 A i to 2 A 4 corresponds essentially to the circumferential direction of the layer in which the stator segments are aligned with one another in the finished stator assembly 1, with the individual stator pairs 8A and 8B to be connected to one another over the long connection path 12A 9A are arranged in a plane or in the actual position on the support, not shown here, of a winding tool.
  • the orientation in the axial direction can be designed differently.
  • the leadership of the winding wire 7A preferably takes place by means of a winding needle to stationary stator segments.
  • FIG. 4 illustrates the completed winding of the stator segment chain A on the carrier device, not shown, of the winding tool (not shown). Shown are only the support shafts T1 to T4 for the individual stator segments.
  • the support shafts T1, T2 and T3, T4 for the immediately adjacent circumferentially adjacent stator 2 M , 2A2 and 2 A3 , 2 A 4 are arranged at an angle to each other, wherein each of the yoke portion 3 of the stator segments of the circumferentially adjacent stator 2 and segment 2 A4 is folded out of the axial plane in an angular range of preferably 20 degrees to 90 degrees with respect to the preceding stator segment 2 A i and 2 A 3.
  • stator segment groups with a plurality of stator segments, which are to be coupled to one another via short connecting paths of the first type
  • the arrangement and alignment on the tool can alternately be tilted relative to one another.
  • the stator segments are arranged and fixed and in the subsequent step VB the winding wire 7A in the desired manner to the individual stator segments 2 A i, 2 A 2 and 2 A 3, 2 A 4 of the stator segment A sequentially.
  • the circumferentially adjacent stator segments 2 A , 2 / ⁇ and 2 A3 , 2 A4 are each wrapped in different directions. Deviating from the stator segment chains in FIGS. 1 to 3, FIG.
  • FIG. 2 shows the production of a stator segment chain which has a short connection of the second type 13A after the first coil and then a long connection of the first type and the third coil after the second coil a short connection of the first kind.
  • the order of the stator segment pairs 8A and 9A is thus reversed.
  • the illustrated in Figure 2 short connection 1 1 A is here by the corresponding leadership of the winding wire 7A from the radially inner in the installed position of the stator 2 A in the outer region in the radial direction, which was folded out of the axial plane, on the stator 2 A2 and thus the follower coil 6 / ⁇ realized.
  • the decisive factor is that the take-over of the winding sense is changed. If, according to FIG.
  • the stator segment chain A is characterized by stator segments that are spaced apart from one another in the circumferential direction, the transition between the stator segment groups 8A, 9A on the carrier device is preferably also guided along a circular segment or a flat surface in order to realize the long connection segment 13A.
  • the other stator segment chains B, C can be produced analogously.
  • the support shafts can be tilted in such a way that the opening angle between the pole heads of the adjacent reduced Statorsegmenete to the final value and sets the desired small groove slot.
  • these can be non-positive or positive-locking and thus detachable or even insoluble.
  • FIG. 6 illustrates, in method step VA, the provision of the tool and the alignment of the individual stator segments on the tool and method step VB the winding process and, in method step VC, the assembly into a ring which can be inserted into a housing.
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Statorbaueinheit für mehrphasige Maschinen mit einer Vielzahl von einzeln mit Spulen bewickelten weichmagnetischen Statorsegmenten, die mit einem Joch verbindbar sind, wobei die Spulen einer Phase in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorsegmente einer Phase eine Statorsegmentkette bilden, umfassend zumindest zwei Statorsegmente, deren Spulen von einem Wickeldraht frei von Unterbrechungen gebildet werden.

Description

Statorbaueinheit, insbesondere für mehrphasige elektrische Maschinen und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Statorbaueinheit
Die Erfindung betrifft eine Statorbaueinheit für mehrphasige elektrische Maschine, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Statorbaueinheit.
Elektrische Maschinen, insbesondere Drehfeldmaschinen, sind in den unterschiedlichsten Ausführungen und für unterschiedliche Einsatzzwecke aus dem Stand der Technik vorbekannt. Derartige Drehfeldmaschinen finden unter anderem als Stellmotoren in automatisierten Getrieben Anwendung. Diese müssen dabei eine hohe Leistungsdichte bei geringem Bauraumbedarf aufweisen. An die Herstellung der Statorbaueinheit sind dadurch sehr hohe Anforderungen hinsichtlich des erforderlichen Bauraumes gestellt. Bezüglich der Herstellung derartiger Statorbaueinheiten sind unterschiedliche Verfahren denkbar. Die erste Möglichkeit geht von Polen in Form einzelner Statorsegmente mit um diese gewickelten Einzelspulen aus, wobei die derart bewickelten Statorsegmente in hohen Stückzahlen vorgefertigt vorgehalten werden können und bei Bedarf zur Statorbaueinheit kombiniert werden können.
Segmentierte Ausführungen von Statorbaueinheiten aus einzelnen Statorsegmenten sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2009 004 391 A1 vorbekannt. Eine aus diesen aufgebaute Statorbaueinheit verfügt über einen hohen Nutfüllfaktor, da die Bewicklung bereits in vorgefertigten Einheiten erfolgt und der Platzbedarf für das Wickelwerkzeug nicht berücksichtigt werden muss. Der Nachteil dieser Bauform besteht darin, dass pro Statorsegment zwei Kontaktstellen entstehen und somit bei einem Stator mit einer bestimmten Anzahl derartiger Segmente eine entsprechende Anzahl an Phasenanschlüssen und insbesondere eine hohe Anzahl an Kontakten über Verschaltungseinheiten verschaltet werden müssen. Eine weit verbreitete Lösung zur Verschaltung der Spulen einzeln bewickelter Statorsegmente ist der Einsatz von Verschaltungselementen, die als Stanzeile an Trägerstrukturen montiert oder vorum- spritzt an die Stirnseite des Wickelkopfes der Spule gefügt werden. Bei kleinen Strömen finden auch Leiterplatten als Verschaltungselemente Anwendung. Speziell ausgeformte Tragkörper beziehungsweise Spulenkörper aus Kunststoff unterstützen die Verschaltung, indem diese Leiterelemente positionieren und fixieren. Diese Verschaltungseinheiten benötigen Raum und verursachen Kosten.
Ferner bedingt die hohe Anzahl an Kontakten eine entsprechend hohe Anzahl an Fügeoperationen zur Verbindung mit den Verschaltungseinheiten. Jede einzelne Fügeverbindung stellt dabei eine potentielle Fehlerquelle bei der Herstellung als auch später im Betrieb dar.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 061 421 A1 ist beispielhaft ein zentrales Elektrizitätsvertei- lungsglied für eine elektrische Drehfeldmaschine vorbekannt, welches den einzelnen Phasen zugeordnete Sammelschienen zum Verbinden von im Stator der elektrischen Maschine angeordneten Spulen der gleichen Phasen besitzt, und eine Sammelschiene im Isolierabschnitt, die eine kreisförmige Haltenut zum Aufnehmen einer jeweiligen Sammelschiene und dem Isolieren der jeweiligen Sammelschienen voneinander aufweist.
Wird die Anordnung der Verschaltung im Bereich des Jochs, welches als Ring oder bei segmentierter Ausführung durch die einzelnen Statorsegmente quasi mit gebildet wird, vorgenommen, ist diese auf Motoren mit sehr hohen Windungszahlen und damit dünnen Wicklungsdrähten beschränkt. Bei einer Mehrzahl von Anwendungsfällen sind jedoch die Windungszahlen eher gering und die Wicklungsdrähte durch eine größere Stärke und damit Durchmesser oder andere Abmessung charakterisiert. In Motoren mit höherer Polzahl reicht der Bauraum vor dem Joch für die erforderliche Verschaltung nicht mehr aus, weshalb die Verschaltung der einzelnen Polspulen axial vor den Spulenköpfen erfolgen muss und entsprechenden Bauraum benötigt. Des Weiteren ist in Fällen, in denen die Statorbaueinheit von der Verschaltungsseite in ein Gehäuse eingepresst wird, aufgrund des beim Einpressen erhöhten Platzbedarfs eine Verschaltung im Jochbereich nicht möglich.
Ferner sind Verfahren bekannt, mit welchen mehrere Pole einer Phase am Stück bewickelt werden. Dazu werden in der Regel Fixierpunkte an den Stirnseiten der Spulenkörper festgelegt, die bei der Verlegung der Wicklung als Umlenkpunkte dienen und/oder die Spulenenden fixieren. Die Verlegung des Wickeldrahtes um die Umlenkpunkte benötigt dabei ebenfalls viel Bauraum und führt zu einer Erhöhung der Leiterlänge und Wicklungsverlusten.
Eine alternative Ausführung besteht darin, eine ringförmige Statorbaueinheit aus einer abgewickelten Blechpaketeinheit zu bilden, wobei die aufgeklappten Nuten mit einer Wickelnadel fortlaufend bewickelt werden und im Anschluss daran die Abwicklung aufgehoben und die Verbindungsstrecken der Wickeldrähte mit Hilfe von Verschaltungselementen axial vor den Spulenköpfen geführt werden.
Beim Bewickeln mehrerer Statorsegmente mit einer Wickelnadel benötigt das Wickelwerkzeug ausreichend Arbeitsraum im vordefinierten Nutbereich. Die Spulen sind dadurch nicht in der Lage, den Nutraum entsprechend zu füllen, wodurch derartige Ausführungen durch einen kleinen Nutfüllfaktor charakterisiert sind. Die benachbarten polbildenden Statorsegmente werden beim Wickeln mit vergrößertem Abstand angeordnet, wodurch die Verbindungen zwischen den einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Spulen eine Überlänge aufweisen, die in der endgültigen Statorbaugruppe durch einen erhöhten Raumbedarf für die Anordnung und Fixierung charakterisiert sind und die Verluste der Verschaltung erhöhen.
Ferner sind einige der bekannten Wickelverfahren nur für spezielle Polanordnungen anwendbar, indem die Winkelanordnung aufeinanderfolgender Spulen mindestens 90 Grad beträgt.
Einer Vielzahl der bekannten Ausführungen gemeinsam ist, dass diese zur Verschaltung zwischen den Segmenten einer Phase und den einzelnen Phasen untereinander zusätzlichen Bauraum in axialer Richtung vor oder hinter der Statorbaueinheit benötigen. Die erforderliche zusätzliche Baulänge in axialer Richtung beträgt dabei häufig ein Mehrfaches des Wickeldrahtdurchmessers. Ferner sind die entsprechenden Verbindungselemente zur Kopplung beziehungsweise Ausbildung der elektrischen Verbindungen entsprechend groß und erhöhen den Strangwiderstand und damit die Wicklungsverluste.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Ausführungen besteht darin, dass neben dem zusätzlichen Bauraumbedarf der Herstellungsaufwand sowie der Aufwand zur Realisierung der Verbindungen zwischen den einzelnen Spulenenden und den Verschaltungselementen selbst sehr groß ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Statorbaueinheit für eine elektrische Maschine mit einzeln bewickelten jeweils polbildenden Statorsegmenten derart weiterzuentwickeln, dass die erforderliche Baulänge der Statorbaueinheit in axialer Richtung inklusive der erforderlichen Verschaltung kurz und der Wicklungswiderstand für die Wicklungen einer Phase niedrig gehalten werden kann. Die Herstellung soll in größeren Serien mit minimalem Kostenaufwand möglich sein und nach Möglichkeit automatisiert erfolgen. Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale von Anspruch 10 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine Statorbaueinheit für mehrphasige Maschinen mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandet unter Ausbildung von Nuten angeordneten und ein Joch bildende oder mit einem Joch verbindbaren einzelnen, mit Spulen bewickelten weichmagnetischen Statorsegmenten, wobei mindestens zwei Spulen einer Phase in Reihe geschaltet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Statorsegmente einer Phase mindestens eine Statorsegmentkette bilden wobei, deren Spulen und die Verbindung der Spulen untereinander von zumindest einem durchgängigen Wickeldraht gebildet werden. Dadurch gelangen innerhalb der Statorsegmentkette lediglich ein durchgängiger Wickeldraht oder mehrere parallelgewickelte Wickeldrähte zum Einsatz, welche am Anfangs- und am Endbereich entsprechende Anschlüsse aufweisen, die für die Kontakte mit den Zuleitungen erforderlich sind. In Abhängigkeit der Anzahl derartiger Statorsegmentketten kann damit die Anzahl der zu realisierenden Kontaktstellen in der Statorbaugruppe bis auf die Phasenanzahl minimiert werden. Ferner besteht die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Lösung die einzelnen Statorsegmentketten vorgefertigt vorzuhalten und die vollständigen Statorsegmentketten dann gegenüber einem entsprechenden Joch oder einem Gehäuse zu positionieren und auszurichten beziehungsweise bei Ausbildung des Jochs durch die einzelnen Statorsegmente diese entsprechend zueinander auszurichten. Aufgrund der Durchgängigkeit der Wicklung entfallen sonst erforderliche Fügestellen der einzelnen in Reihe geschalteten Spulen einer Phase, für die nachträgliche Verschaltung erforderliche Verbindungselemente und der für die Anordnung dieser erforderliche Bauraum. Die erfindungsgemäße Statorbaueinheit ist somit durch eine kurze axiale Länge charakterisiert.
In vorteilhafter Weise werden zumindest zwei Statorsegmente einer Statorsegmentkette in Umfangsrichtung einander unmittelbar benachbart angeordnet, wobei die Spulen dieser Statorsegmente einen gegenläufigen Wickelsinn aufweisen und die Verbindung zwischen den Spulen durch eine kurze Verbindungsstrecke erster oder zweiter Art beschreibbar ist. Die Unterscheidung zwischen Verbindungsstrecken erster und zweiter Art erfolgt in Abhängigkeit der Lage des Spulenendes der vorgeordneten Spule eines Phasenstranges. Endet die Spule am vorgeordneten Statorsegment in der gemeinsamen Nut zur im Phasenstrang nachgeordneten Spule kann eine besonders kurze Verbindung erzielt werden. Bei dieser Verbindungsstrecke erster Art handelt es sich um eine sogenannte kurze Kurzverbindung zwischen den einander benachbart angeordneten Spulen, die durch Führung des Wickeldrahtes vom Spulenende vor der gemeinsamen Nut der im Phasenstrang vorgeordneten Spule zum Anfang der im Phasenstrang nachgeordneten Spule realisiert wird, indem der Draht in den radial verlaufenden Verbindungsstrecken im Raum der Vertiefung zwischen den Spulenköpfen der benachbarten Spulen angeordnet ist.
Die Verbindung zur im Phasenstrang nachgeordneten Spule als Verbindungsstrecke zweiter Art ist länger und verläuft zunächst über den Spulenkopf der vorgeordneten Spule, da die letzte Windung der vorgeordneten Spule nach dem Durchgang durch die Grenznut mit einem anderen benachbarten Statorsegment endet. Der Drahtverlauf der Verbindungsstrecke wird dann in der Vertiefung zwischen den beiden Spulenköpfen in den Joch- oder Kopfbereich geführt und von dort zum Anfang der im Phasenstrang nachgeordneten Spule.
Die tangential verlaufenden Teile der Verbindungsstrecken liegen entweder axial vor dem Jochbereich oder axial vor dem Polschuhbereich der Statorbaugruppe.
Ferner besteht optional oder zusätzlich die Möglichkeit, zumindest einen Teil der Statorsegmente einer Statorsegmentkette in Umfangsrichtung um mehr als ein Statorsegment beabstandet zueinander anzuordnen, wobei der Versatz vorzugsweise 180 Grad beträgt. Werden Teile der Statorsegmente einer Statorsegmentkette in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet, bilden die einzelnen Teile Statorsegmentgruppen. Die einzelne Statorsegmentgruppe wird aus jeweils zumindest einem Statorsegment, vorzugsweise einer Mehrzahl von Statorsegmenten gebildet. Die Verbindung zwischen den Statorsegmentgruppen wird durch eine lange Verbindungsstrecke erster oder zweiter Art beschrieben, wobei diese lange Verbindungsstrecke sich über wenigstens ein oder eine Vielzahl von zwischengeordneten Statorsegmenten erstreckt. In besonders vorteilhafter Weise umfassen dabei die einzelnen Statorsegmentgruppen Statorsegmentpaare mit zwei in Umfangsrichtung einander benachbart angeordneten Statorsegmenten, wobei hier der Wickelsinn zwischen den Statorsegmenten eines Statorsegmentpaares, wie bereits beschrieben, gegenläufig erfolgt. Jede der einzelnen Statorsegmentgruppen kann auch aus mehr als zwei Statorsegmenten bestehen, wobei hier ebenfalls die Aussage betreffend des Wickelsinns hinsichtlich einander in Umfangsrichtung benachbarter Statorsegmente gilt. Über die langen Verbindungsstrecken besteht die Möglichkeit der Kopplung von Statorsegmenten eines Phasenstranges, die an unterschiedlichen Orten am Umfang der Statorbaugruppe angeordnet und befestigt werden. Durch die Möglichkeit der Schaffung von Statorsegmentketten, welche durch die Verbindung der Spulen einander in Umfangsrichtung benachbarter Statorsegmente charakterisiert sind, ergibt sich die Möglichkeit der Schaffung von Statorsegmentketten, die sich über einen sehr großen Erstreckungsbereich in Umfangsrichtung einer Statorbaugruppe erstrecken können, frei von Fügestellen zwischen den einzelnen Spulen der einzelnen Statorsegmente sind und lediglich am Anfang- und am Endbereich der einzelnen Statorsegmentkette durch einen entsprechenden Anschluss charakterisiert sind. Dadurch können bei alleiniger Verwendung von kurzen Verbindungsstrecken erster oder zweiter Art sehr kompakte Statorsegmentketten vorgefertigt und vorgehalten werden und in einfacher Art und Weise später zu einer Statorbaugruppe montiert werden. In Analogie gilt dies auch für die Statorsegmentketten mit langen Verbindungen oder einer Kombination aus kurzen und langen Verbindungen.
In einer vorteilhaften Ausführung kann eine Kombination von Statorsegmentketten zum Einsatz gelangen, die durch die Anordnung und Ausbildung von Statorsegmenten mit miteinander gekoppelten Spulen mit kurzen Verbindungen und mit langen Verbindungen charakterisiert sind.
In einer alternativen Ausführung ist es denkbar, die Statorbaueinheit nur aus Statorsegmentketten mit kurzen Verbindungen auszubilden.
Um den erforderlichen Bauraum in axialer Richtung möglichst gering zu halten sind vorzugsweise die Verbindungsstrecken zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzelspulen zur Stirnfläche der weichmagnetischen Statorsegmente im wesentlichen durch einen axialen Abstand charakterisiert, der den maximalen Abstand der äußeren Spulenkopfoberfläche um weniger als eine Drahtstärke übertrifft.
In besonders vorteilhafter Weise werden die Verbindungsstrecken zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulen einer Statorsegmentkette zur Stirnfläche der einzelnen Statorsegmente in einem Abstand in axialer Richtung angeordnet, welcher höchstensmaximal dem maximalen Abstand der Spulenkopfoberfläche entspricht. Dadurch werden die Verbindungen in den axialen Spulenkopfbereich verlegt und benötigen keinen zusätzlichen Bauraum in axialer Richtung. Letztere Möglichkeit ist durch eine geringe insbesondere weitgehende Vermeidung der Erstreckung der Verbindungsstrecken in axialer Richtung außerhalb der Spulenköpfe charakterisiert.
Um nach Möglichkeit die Verbindungen in die Statorbaueinheitsebene direkt zu verlagern, ist es vorgesehen, zumindest einen Teilbereich der die Verbindung zwischen zwei Spulen einer Statorsegmentkette beschreibenden Verbindungsstrecke zumindest teilweise in radialer Richtung in einer Vertiefung zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Spulenköpfen anzuordnen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Führung der kurzen Verbindungsstrecke der ersten und zweiten Art noch innerhalb des Abstandes zwischen zwei parallelen durch den Außendurchmesser der Spulenköpfe beschreibbaren Ebenen beziehungsweise in den axialen Bereich der Erstreckung der Spulen zu verlagern. Eine derartige Führung des Drahtverlaufs erfolgt vor allem in dem Fall, in welchem die letzte Windung radial nicht am Rand aus der Nut herausläuft. Ist dies nicht der Fall und das Spulenende endet am radial äußeren oder inneren Rand der Nut, so wird der Draht in tangential verlaufenden Verbindungsstrecken axial vor dem Joch- oder Polschuhbereich der Statorbaugruppe geführt.
Grundsätzlich werden beim Verlauf der Verbindungsstrecken in tangentialer Richtung und in axialer Richtung innerhalb der Erstreckung der Windungen der äußeren Lagen von Spulen verlaufender Wickeldrähte zwei Möglichkeiten unterschieden, wobei die erste durch den Auslauf des Spulenendes der in Wickelrichtung vorgeordneten Spule aus der gemeinsamen Nut mit dem in Umfangsrichtung nachfolgenden Statorsegment und der diese umgebenden Spule charakterisiert ist. Die zweite Ausführung ist durch den Auslauf des Spulenendes der in Wickelrichtung vorgeordneten Spule aus der nicht gemeinsamen Nut und dem Verlauf des Drahtes über den Spulenkopf zur Vertiefung der Spulenköpfe vor der in der gemeinsamen Nut charakterisiert. Insbesondere für die Anordnung der langen Verbindungsstrecken erfolgt der charakterisierende Wickeldrahtverlauf entlang der einzelnen in Umfangsrichtung angeordneten Statorsegmente derart, dass der zur Verfügung stehende Raum an den einzelnen Spulen selbst, bedingt durch die Wickelart und durch den Raum der von Windungen der Oberlage gegenüber der Unterlage frei bleibt, zur Führung des Wickeldrahtes genutzt wird. Insbesondere wird der Bereich der Spule genutzt, der frei von Windungen der Oberlage ist. Auch hier kann dadurch die lange Verbindung in die Anordnungsebene der einzelnen Spulen verlagert werden.
Die Enden der Statorsegmentketten, die eine Wicklung bilden, sind vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung über den Umfang verteilt angeordnet und die Anzahl der Endenpaare entspricht der Phasenzahl oder einem mehrfachen der Phasenanzahl. Vorzugsweise wird angestrebt, dass nach Möglichkeit alle bewickelten Statorsegmente einer Phase in einer Statorsegmentkette angeordnet sind. Die Kreuzungspunkte zwischen den langen Verbindungsstrecken liegen im Bereich der Vertiefung zwischen zwei Spulenköpfen von unterschiedlichen Statorsegmentgruppen. Dadurch besteht die Möglichkeit, an den Kreuzungspunkten den näher am weichmagnetischen Statorsegment verlaufenden Wickeldraht vom darüberliegenden Wickeldraht in die Vertiefung zu drücken, so dass der untere Drahtverlauf axial verformt wird und der obere Drahtverlauf im Abstand, der dem Abstand der äußeren Lage im Spulenkopf entspricht, verlaufen kann.
Als Wickeldraht findet vorzugsweise ein Runddraht Verwendung. Die Wicklung der einzelnen Spulen selbst erfolgt zur Erzielung einer hohen Fülldichte in vorteilhafter Weise orthozyklisch.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Wesentlichen durch die Verfahrensschritte, die nachfolgend beschrieben werden, bestimmt.
-Bereitstellung von einzelnen isolierten Statorsegmentkernen und eines diese aufnehmenden Gehäuses;
-Positionierung der Statorsegmente einer Statorsegmentkette an einem Wickelwerkzeug; -Erzeugung der Spulen der Statorsegmentkette aus einem Wickeldraht;
-Positionierung der Statorsegmentketten aller Phasen zu einem Ring und Ausrichtung/Befestigung.
Bezüglich des Wickelverfahrens sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar. Diese sind im Wesentlichen dadurch charakterisiert, dass entweder die zu bewickelnden Statorsegmente ortsfest angeordnet sind und der Wickeldraht geführt wird, beispielsweise mittels einer Wickelnadel oder das Statorsegment gegenüber dem Wickeldraht bewegt wird. Beide Möglichkeiten sind auch beim Bewickeln der Statorsegmentketten realisierbar. Mit der erstgenannten Möglichkeit können jedoch grundsätzlich besonders kompakte Statorsegmentpaare geschaffen werden, das heißt Statorsegmente, die in Einbaulage in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind. Das für den Wickelvorgang eingesetzte Wickelwerkzeug um- fasst eine Trageinrichtung mit zumindest zwei unterschiedlichen Aufnahme- beziehungsweise Tragachsen für die Statorsegmente, wobei die Tragachse zur Bewicklung des in der Statorsegmentkette folgenden Statorsegmentes gegenüber der Tragachse des vorgeordneten Statorsegmentes einer Phase in einem Winkel zueinander verkippt sind und in diesem verkippten Zustand das Umwickeln unter Erzeugung der kurzen Verbindungsstrecke zwischen den Spulen der in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorsegmente erfolgt. Dabei kann je nach Ausführung die kurze Verbindungsstrecke unmittelbar im Winkelbereich der derart positionierten Statorsegmente erzeugt werden, wobei die Verbindung dann zwischen in Einbaulage glei- chen Endbereichen der Statorsegmente erfolgt oder aber unter Ausnutzung des die Verkippung charakterisierenden Winkels. Im letztgenannten Fall beschreibt die Verbindungsstrecke die Verbindung zwischen in Einbaulage in radialer Richtung unterschiedlichen Endbereichen der Statorsegmente.
Nach erfolgter Fertigstellung der Statorsegmentkette können die Statorsegmente wieder zueinander ausgerichtet und die Endposition relativ zueinander verbracht werden, was durch Verkippen der Tragachse in eine Ebene mit der Tragachse des vorgeordneten Statorsegmentes erfolgt. Dieser Vorgang kann im Rahmen der Vorfertigung oder aber durch Verkippen jeweils der Mittenachsen der Statorsegmente zueinander auch erst bei der Montage erfolgen.
Werden vorzugsweise die einzelnen Statorsegmentketten aus mehrpoligen Statorsegmentsektoren mit kurzen Verbindungen erster Art und Verbindungen zweiter Art sowie langen Verbindungen zwischen den mehrpoligen Statorsegmentsektoren gebildet, erfolgt die Montage der einzelnen Statorsegmentketten der einzelnen Phasen nacheinander. Dabei genügt für die Ausrichtung der Statorsegmentkette der ersten zu montierenden Phase noch eine einfache Axialbewegung. Für die zweite Phase werden mehrere Bewegungen im Raum benötigt, die im Wesentlichen durch radiale und axiale Bewegungen charakterisiert sind, während für weitere Phasen die jeweiligen Bewegungsrichtungen weiter variiert werden können, wobei durch die lange Verbindung unterschiedliche Durchführungen erlaubt sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für die Erstellung unterschiedlichster Statorbaueinheiten mit bewickelten Statorsegmenten und mindestens zwei Statorsegmenten pro Phase einsetzbar. Diese ist nicht auf einen bestimmten Maschinentyp bestimmte Phasen- oder Polzahlen einer mehrphasigen elektrischen Maschine beschränkt. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um eine Innenläufer- oder eine Außenläufermaschine handeln.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Fig. 1 verdeutlicht anhand einer Perspektivdarstellung eine vorteilhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Statorbaueinheit in besonders vorteilhafter Ausführung; Fig. 2 verdeutlicht anhand eines Ausschnittes aus Figur 1 für ein Statorsegment die Realisierung einer kurzen Verbindungsstrecke erster Art zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Spulen;
Fig. 3 verdeutlicht anhand eines Ausschnittes aus Figur 1 die Ausführung der langen Verbindungsstrecke zwischen den Statorsegmenten zweier Statorsegmentgruppen einer Statorsegmentkette;
Fig. 4 verdeutlicht beispielhaft die Anordnung der einzelnen Statorsegmente zur Bewicklung;
Fig. 5 verdeutlicht beispielhaft die sich ergebende Anordnung und Verschaltung der Spulen der Statorsegmentkette B in Funktionslage;
Fig. 6 verdeutlicht anhand eines Prozessflussbildes den Ablauf eines erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Statorbaueinheit.
Die Figur 1 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand einer perspektivischen Darstellung den Grundaufbau einer erfindungsgemäß ausgeführten Statorbaueinheit 1 für den Einsatz in elektrischen Drehfeldmaschinen. Derartige Maschinen finden bevorzugt als Stellmotoren in automatisierten Getrieben Anwendung und sind daher aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraumes durch eine hohe Leistungsdichte charakterisiert. Die elektrische Drehfeldmaschine kann mit einem Außen- oder Innenläufer ausgebildet sein, wobei die in der Figur 1 dargestellte Statorbaueinheit 1 in einer elektrischen Drehfeldmaschine mit Innenläufer eingesetzt wird.
Die Statorbaueinheit 1 umfasst eine Vielzahl von Statorsegmenten 2, welche auch als Pole bezeichnet werden und aus einem Zahn- und Jochbereich 3 bestehen. Die einzelnen Statorsegmente 2 bilden am Umfang Winkelsektoren der Statorbaugruppen und stoßen im Jochbereich 3 aneinander, wobei im dargestellten Fall die Statorsegmente etwa in der Nutmitte eine Stossstelle 4 ausbilden. Die einzelnen Slalorsegmente 2 sind in Umfangsrichtung der Stator baueinheit 1 einander benachbart unter Ausbildung von Nuten angeordnet und bestehen aus einem weichmagnetischen Material. Die Befestigung des Jochs 3 in einem Gehäuse erfolgt vorzugsweise durch Einpressen der vormontierten Statorbaugruppe in eine hier nicht dargestellte Gehäusehülse, wobei hier auf eine Vielzahl von Möglichkeiten verwiesen werden kann, welche einen einfachen Einbau und Austausch der einzelnen Statorsegmente 2 erlauben. Je nach mehrphasiger Ausbildung der elektrischen Maschine sind die einzelnen Statorsegmente 2 in Statorsegmentketten angeordnet, die hier mit A bis C bei Ausführung als Statorbaueinheit 1 für eine dreiphasige Drehfeldmaschine bezeichnet sind. Dabei ist jeweils eine Statorsegmentkette A bis C einer Phase zugeordnet. Jede der Statorsegmentketten A bis C besteht aus zumindest zwei Statorsegmenten, die unter Ausbildung von Spulen 6 gewickelt sind, wobei die einzelnen Spulen einer Statorsegmentkette A bis C jeweils in Reihe geschaltet sind und erfindungsgemäß von einem durchgängigen Wickeldraht 7A bis 7C gebildet sind, das heißt frei von Fügestellen. Anstatt nur eines Drahtes können auch zwei oder mehrere Drähte parallel gewickelt werden. Im dargestellten Fall umfasst die Statorbaueinheit 1 beispielhaft zwölf Pole bildende Statorsegmente 2, wobei einer Statorsegmentkette A bis C jeweils vier derartige Statorsegmente zugeordnet sind. Die Statorsegmente der Statorsegmentkette A sind hier mit 2A1 bis 2A4 bezeichnet, die Statorsegmente der Statorsegmentkette B mit 2B1 bis 2B4 und die Statorsegmente der Statorsegmentkette C mit 2C1 bis 2C4 gekennzeichnet. Jedes Statorsegment 2A1 bis 2C4 ist dabei mit einer Spule 6A1 bis 6C4 bewickelt. Die einzelnen Spulen 6A1 bis 6A4 einer Phase A sind in Reihe geschaltet und werden durch einen durchgängigen Wickeldraht 7A frei von Fügestellen und Unterbrechungen oder erforderlichen Verbindungen gebildet. In Analogie gilt dies auch für die den Statorsegmenten 2B1 bis 2B4 und 2C1 bis 2C4 zugeordneten Spulen 6B1 bis 6B4, 6C1 bis 6C4. Letztere werden jeweils von den Wickeldrähten 7B und 7C gebildet. Jede der Statorsegmentketten A bis C ist durch zwei Statorsegmentgruppen, in der in Figur 1 dargestellten Ausführung in Form von Statorsegmentpaaren 8A, 9A beziehungsweise 8B, 9B und 8C, 9C charakterisiert. Die einzelnen Statorsegmente einer Statorsegmentgruppe, insbesondere Statorsegmentpaares einer Statorsegmentkette A bis C sind paarweise in Umfangsrichtung unmittelbar einander benachbart angeordnet. Innerhalb der Statorsegmentkette A bilden die Statorsegmente 2A1 , 2A2 das Statorsegmentpaar 8A, während das Statorsegmentpaar 9A von den Statorsegmenten 2A3 und 2A4 gebildet wird. In Analogie gilt dies auch für die Statorsegmentpaare 8B und 9B, welche jeweils aus Statorsegmenten 2B1 , 2B2 und 2B3, 2B4 bestehen sowie die Statorsegmentpaare 8C und 9C, die jeweils von Statorsegmenten 2C1 , 2C2 und 2C3, 2C4 gebildet werden und die diesen zugeordneten Spulen 6A1 bis 6C4.
Die einzelnen Statorsegmente eines Statorsegmentpaares, hier 2M, 2A2 des Statorsegmentpaares 8A, 2Bi , 2B2 des Statorsegmentpaares 8B, 2Ci , 2C2 des Statorsegmentpaares 8C sowie 2A3, 2A4 des Statorsegmentpaares 9A, 2B3, 2B4 des Statorsegmentpaares 9B und 2C3, 2o4 des Statorsegmentpaares 9C sind dabei hinsichtlich ihrer Spulen 6Ai , 6A2 für 8A, 6Bi , 6B2 für 8B und 6Ci, 6C2 für 8C jeweils durch eine mittels des Wickeldrahtes 7A bis 7C gebildete Verbindung durch eine kurze Verbindungsstrecke erster Art 10A, 10B, 10C charakterisiert. Für die Verbindungen der Spulen 6A3, 6A für das Statorsegmentpaar 9A, 6B3, 6B4für 9B und 6C3, 604 für 9C sind die kurzen Verbindungsstrecken der zweiten Art mit 11 A bis 11C bezeichnet. Die Statorsegmentpaare, hier beispielhaft das Statorsegmentpaar 8A und das Statorsegmentpaar 9B der Statorsegmentkette A, sind ferner über eine lange Verbindung bildende Verbindungsstrecke 12A, hier der zweiten Art miteinander gekoppelt. Die einzelnen Statorsegmentpaare 8A und 9A einer Statorsegmentkette A sind dabei in Umfangsrichtung betrachtet einander gegenüberliegend, das heißt um 180 Grad versetzt zueinander angeordnet. Die Spulen eines Statorsegmentpaares, hier 6Ai und 6A2 für das Statorsegmentpaar 8A und 6A3, 6A4 für das Statorsegmentpaar 9A sind jeweils durch einen entgegengesetzten Wickelsinn charakterisiert, um eine entsprechende Ausrichtung der entstehenden elektrischen Felder zu gewährleisten. Dies gilt in Analogie jeweils auch für die Spulen 6Bi, 6B2 des Statorsegmentpaares 8B, 6B3, 6B4 des Statorsegmentpaares 9B, 6Ci, 6C2 des Statorsegmentpaares 8C und 6C3, 6c4 des Statorsegmentpaares 9C.
Die über die langen Verbindungsstrecken 12A bis 12C miteinander gekoppelten Statorsegmentpaare 8A, 9A beziehungsweise 8B, 9B und 8C, 9C sind in der konkreten Ausführung gemäß Figur 1 dadurch charakterisiert, dass die am Anfang und am Ende der langen Verbindungsstrecke 12A bis 12C vorliegenden Spulen, hier jeweils 6/^ und 6A3 beziehungsweise 6B2, 6B3 und 6C2, 6C3 den gleichen Wickelsinn aufweisen.
Alle Spulen 6A1 bis 6A , 6B1 bis 6B4 und 6Ci bis 6^ sind vorzugsweise zur Erzielung eines hohen Füllfaktors orthozyklisch mit einen Runddraht gewickelt. Die orthozyklische Wicklung ist dadurch charakterisiert, dass in optimaler Weise der zur Verfügung stehende Raum ausgenutzt wird, indem die Windungen der obereren Spulenlage in die Täler der darunter angeordneten Spulenlage abgelegt werden und die Überkreuzungen von Wickeldrähten 7A bis 7C miteinander ausschließlich in den Spulenköpfen, also außerhalb der Nuten, erfolgt.
Die mindestens zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Spulen einer Statorsegmentgruppe, hier der Statorsegmentpaare 8A, 9A, 8B, 9B beziehungsweise 8C, 9C sind derart gewickelt, dass die eine kurze Verbindung erzeugende Verbindungsstrecke erster Art 10A bis 10C beziehungsweise zweiter Art 11 A bis 11 C in der montierten Statorbaueinheit 1 axial nicht über die den Wickelkopf bildenden Spulenköpfe hinausragt. Dies wird am Beispiel des Statorsegmentpaares 8A erläutert. Dabei ist der Wickeldraht 7A im Bereich der kurzen Verbindungstrecke erster Art 10A durch einen radialen Verlauf in der Vertiefung zwischen den Spulenköpfen der Spulen 6Ai , 6/^ charakterisiert. In besonders vorteilhafter Ausführung wer- den die Enden der über die kurzen Verbindungen 10A beziehungsweise 11A miteinander zu koppelnden Spulen, hier beispielhaft der Spulen 6Ai , 6A2 der Statorsegmente 2Ai , 2A2 des Statorsegmentpaares 8A derart ausgebildet, dass die Wicklungen der Spule 6Ai des Statorsegmentes 2Ai im Bereich der zwischen diesen ausgebildeten gemeinsamen Nut 14A enden und somit direkt radial in den Bereich des Joches 3 und auf diesem Radius zum Anfang der in Reihe innerhalb der Statorsegmentkette A folgenden Spule, hier 6A2 geführt werden.
Endet die in Wicklungsrichtung vorhergehende Spule, hier beispielhaft 6A3, nicht in der gemeinsamen Nut 14A, wird der Wickeldraht 7A zunächst nocheinmal über den Wickelkopf dieser Spule 6A3 geführt, als ob eine weitere Windung folgen würde. Am Ende der Spulenkopf- querung wird die Verbindung 11 A in der Vertiefung zwischen zwei benachbarten Spulenköpfen radial in den Jochbereich geführt und gelangt auf diesem Radius zur in Wickelrichtung folgenden Spule 6A4 im Bereich des Innenumfanges 4 des Joches 3.
Die kurzen Verbindungen charakterisierenden Verbindungsstrecken erster Art 10A beziehungsweise der zweiten Art 11 A zweier in Reihe aufeinanderfolgender Spulen, hier der Spulen 6A , 6Ä2 und 6A3 und 6A4, verlaufen somit teilweise radial, wobei der Verlauf in etwa auf dessen Symmetrielinie in der Mitte der Nut 14A beziehungsweise 14A erfolgt, die Vertiefung zwischen zwei benachbarten Spulenköpfen nutzend. Die Wicklung der folgenden Spule 6A2 beziehungsweise 6A4 beginnt jeweils am in radialer Richtung äußeren Bereich des einzelnen Statorsegmentes, hier 2A_, 2A4, das heißt im Bereich axial vor dem Joch 3. In Abhängigkeit der Ausführung der Nuten 14A und der Form der Spulen, insbesondere Trapezform, liegen die Spulenenden meist im radial mittleren Nutbereich, das heißt, die äußere Lage der Spule ist nur teilweise gefüllt. Eine lange Verbindung zweiter Art 12A zur Spule 6A3 des Statorsegmentpaares 9A erfolgt in besonders vorteilhafter Weise im radial inneren Endbereich der Statorbaueinheit 1 in dem von den äußeren Lagen der Spulen nicht genutzten Raum. Dazu wird der Wickeldraht 7A tangential an den Spulenköpfen der anderen Phasen vorbei von der Spule 6Ä2 in Richtung zur Spule 6A3 weitergeführt.
Derartige tangentiale Verbindungsabschnitte im Verlauf der Verbindungen zwischen einzelnen Spulen, insbesondere von kurzen Verbindungsstrecken zweiter Art 11 A und lange Verbindungsstrecken zweiter Art 12A am Beispiel der Statorsegmentkette A weisen somit einen Abstand zur Stirnfläche der weichmagnetischen Polkerne in Form der jeweils beteiligten Statorsegmente 2Ai bis 2A4 auf, der dem maximalen Abstand des Wickeldrahtes 7A in der äußeren Lage der Spulen 6A bis 6A4 entspricht. Die jeweilige lange Verbindung charakterisierenden Verbindungsstrecken zweiter Art, hier 12A für die Verbindung der beiden Statorsegmentpaare 8A und 9A, wird bei der in der Figur 1 dargestellten Statorbaueinheit 1 in radialer Richtung im Bereich des Innenumfanges 15 der Statorbaueinheit 1 an den Statorsegmenten der in Umfangsrichtung zwischengeordneten Statorsegmentketten B, C der anderen Phasen vorbeigeführt. Dabei wird für die Verbindungsstrecken 12A bis 12C jeweils der zur Verfügung stehende Raum in axialer Richtung genutzt, der beim Wickeln der einzelnen Spulen 6Ai bis 6c4 von der Oberwicklung frei bleibt beziehungsweise der Raum der durch die in der einzelnen Wicklung vorgesehenen Stufe in den Spulenköpfen frei bleibt. Diese Stufung in den Spulen- beziehungsweise Wickelköpfen entsteht dadurch, dass die äußere beziehungsweise obere Lage bezogen auf den Außenumfang des einzelnen Statorsegmentes 2Ai bis 2C4 weniger Windungen aufweist und diese in radialer Richtung an der Statorbaueinheit 1 radial außen liegen. Die tangentiale Breite der einzelnen Spule ist in Einbaulage in der Statorbaueinheit 1 in radialer Richtung zum Außenumfang hin betrachtet größer als im Bereich des Innenumfanges 15 der Statorbaueinheit 1.
Die die langen Verbindungen charakterisierenden Verbindungsstrecken zweiter Art 12A bis 12C der einzelnen Statorsegmentketten A bis C überkreuzen sich jeweils an einer Stelle. Dabei überkreuzen sich jeweils die langen Verbindungen zweier Statorsegmentketten, beispielsweise A und B, A und C oder B und C. Diese Kreuzungspunkte sind hier mit 16.1 bis 16.3 bezeichnet und liegen vorzugsweise ebenfalls im Bereich einer Vertiefung zwischen benachbarten Spulenköpfen, das heißt die Überkreuzung erfolgt derart, dass der in axialer Richtung äußere und überkreuzende Wicklungsdraht ausgehend von einer obersten Lage einer vorhergehenden Spule über einen entlang einer unteren Lage der gleichen Spule geführten anderen Wicklungsdraht geführt wird.
Die jeweiligen Enden des Wickeldrahtes 7A bis 7C der einzelnen Statorsegmentketten A bis C, die jeweils mit 7A1 und 7A2 beziehungsweise 7B1 , 7B2 und 7C1 , 7C2 bezeichnet sind, sind in axialer Richtung aus der in Funktionslage axialen Anordnungsebene der Statorsegmente 2Ai bis 2c4 herausgeführt. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise im Bereich einer oberen Lage, wobei die Fixierung und Führung der Endbereiche derart erfolgt, dass diese in radialer Richtung im Bereich des Joches 3 gestützt geführt und in radialer Richtung in Mittenrichtung ausgerichtet und im Bereich der Erstreckung des Statorsegmentes 2M bis 2C4 aus diesem, vorzugsweise mittleren Bereich in axialer Richtung herausgeführt sind. Die einzelnen Besonderheiten für die Ausbildung der Wicklungen einer Phase als einteilige Phasenstränge, das heißt frei von Unterbrechungen, sind in den Figuren 2 bis 3 in schematisiert vereinfachter Darstellung wiedergegeben.
Die Figur 2 verdeutlicht dabei in einer Detailansicht den radialen Verlauf der die kurze Verbindung charakterisierenden Verbindungsstrecke erster Art 10A zwischen den Spulen 6Ai und 6Α2· Erkennbar sind für das einzelne Statorsegment 2Ai und 2^ die Ausbildungen der Spulen 6Ai und 6A2, der Endbereich 7A1 des Wickeldrahtes 7A, der in axialer Richtung aus der Statorsegmentebene zusammen mit dem Endbereich 7C2 des Wickeldrahtes 7C der Statorsegmentkette C paarweise herausgeführt ist, wobei das Herausführen in 90 Grad Richtung aus der Ebene der Statorbaueinheit 1 und damit im Wesentlichen parallel zur Mittenachse M der Statorbaueinheit 1 erfolgt. Ferner ersichtlich ist die Ausrichtung des Endbereiches 7A1 , welcher den Anfangsbereich der über den Wickeldraht 7A realisierten Reihenschaltung der einzelnen Spulen 6Ai bis 6A4 der Statorsegmentkette A bildet, bezogen auf das Statorsegment 2A an der an dieser ausgebildeten Spule 6Ai tangential zur Oberlage 17 der Spule 6A1 und aus dem Windungsbereich heraus in den Zwischenraum, hier der Nut 18 zu den Statorsegmenten des Statorsegmentpaares 9C. Der Endbereich 7A1 wird im Bereich des Jochs 3 fixiert beziehungsweise mittels entsprechender Flächenbereiche 19 des Spulenkörpers des Statorsegmentes 2A1 fixiert, welche hier von Vorsprüngen gebildet werden.
Die einzelnen Spulen 6A und 6^ sind orthozyklisch gewickelt, wobei die Oberlagen jeweils in die durch den Querschnitt des Wickeldrahtes bedingten Zwischenräume abgelegt sind. Die Wicklung um den Umfang des einzelnen Statorsegmentes 2ΑΊ erfolgt in einem Winkel zur radialen Richtung. Die Führung des Wickeldrahtes 7A erfolgt dabei in Einbaulage betrachtet vom radial äußeren Bereich in Richtung zum radialen Innenumfang 15 der Statorbaueinheit und von diesem wieder zurück, wobei der Übertritt zur in Umfangsrichtung in Reihe zu dieser Spule 6Ai geschalteten Spule 6A2 in radialer Richtung zwischen dem Innenumfang 4 des Joches 3 und dem Innenumfang 15 der Statorbaueinheit erfolgt. Der Wickeldraht 7A wird dann über die Verbindung 10A von der Spule 6Ai , deren Endbereich bis in die Nut 14A verläuft, in radialer Richtung nach außen im Bereich beziehungsweise parallel zur Mittellinie der Nut 144A in den radial äußeren Jochbereich des Statorsegmentes 2A2 geführt. Die Führung erfolgt hier innerhalb der durch die Wicklungen erzeugten Vertiefung zwischen den Spulenköpfen der einzelnen Spulen 6A1, 6A2. Bezüglich der Ausführung zur kurzen Verbindung zweiter Art wird auf die Ausführungen zur Verbindung zwischen den Spulen 6A3, 6A4 in Figur 1 verwiesen.
Eine tangentiale Führung des Wickeldrahtes 7A entsprechend der zweiten Art ist hier für das Spulenende der Spule 6A2 wiedergegeben. Diese endet vor dem Einlauf in die nächste in Um- fangsrichtung angeordnete Nut, die zwischen dem Statorsegment 2A2 und dem zum Statorsegment 2Α2 ΪΠ Umfangsrichtung benachbart angeordneten Statorsegment 2B3 der Statorsegmentkette B gebildet wird. Diese Führung des Wickeldrahtes 7A1 wird in die Ausbildung der langen Verbindungsstrecke zweiter Art 12A zur Kopplung mit dem hier nicht dargestellten Statorsegmentpaar 9A mit einbezogen.
Die Figur 3 verdeutlicht beispielhaft anhand einer Detailansicht aus der Figur 1 den tangentialen Verlauf der längeren Verbindung 12B vor gestuft ausgeführten Spulenköpfen. Dabei wird hier beispielhaft der Wickeldraht 7B vom Statorsegment 2B2 der Statorsegmentgruppe 8A zum Statorsegment 2B3 der Statorsegmentgruppe 9B geführt. Erkennbar ist dabei die Führung entlang der in Umfangsrichtung zwischen diesen angeordneten Statorsegmenten, im dargestellten Ausschnitt der Statorsegmente 2c3, 2c4,2Ai, 2A2,der Phasen C und A durch den an den einzelnen Spulen 6C3, 6C4, 6Ai, 6/^ aufgrund der Stufung zwischen der Oberlage 17 und einer darunter liegenden Lage 20 vorgesehenen Freiraum 21. Dieser ist bezogen auf die Lage der Statorsegmente in Funktionslage im Bereich des Innenumfanges 15 der Statorbaueinheit 1 vorgesehen.
Im Kreuzungspunkt 16.1 der Verbindungsstrecke 12B mit der Verbindungsstrecke 12A quert diese die Wicklung der Spule 6A2, wobei die Führung tangential an der äußeren, insbesondere Oberlage 17 der Spule 6A2 zumindest teilweise in radialer Richtung erfolgt. Der einzelne Kreuzungspunkt 16.1 liegt vorzugsweise im Bereich der Stufung zwischen den Wicklungslagen einer Spule, hier 6/^ und im Bereich der Vertiefung zwischen zwei Spulenköpfen unterschiedlicher Spulenpaare (8A, 9B) oder unmittelbar benachbart zu diesen. Dadurch kann am Kreuzungspunkt 16.1 der näher am weichmagnetischen Körper verlaufende Wicklungsdraht, hier der Wickeldraht 7B vom darüberliegenden Wickeldraht 7A in die Vertiefung zwischen den Spulenköpfen der Spulen 6^ und 6B3 gedrückt werden, sodass der Wickeldraht 7B im Verlauf der langen Verbindung 12B axial verformt wird und der darüber verlaufende Draht 7A der langen Verbindung 12A in dem Abstand, der dem Abstand der äußeren Spulenlage entspricht, verlaufen kann. Der diesen querende Wickeldraht 7B knickt dabei aus der tangentialen Richtung nach oben und wird in der Vertiefung in radialer Richtung in den Jochbereich geführt. Die Figuren 1 bis 3 verdeutlichen beispielhaft eine besonders vorteilhaft ausgestaltete Statorbaueinheit 1 mit drei Phasen und 12 bewickelten Polen Diese ist jedoch auch für andere Polzahlen und Anordnungen der bewickelten Statorsegmente geeignet. So können auch alle Pole einer Phase in einem Umfangssektor angeordnet werden, wodurch die langen Verbindungen entfallen. Da sich der Wickelsinn ändert, gibt es jedoch ebenfalls zwei unterschiedliche kurze Verbindungen der ersten und zweiten Art, die wie bereits beschrieben in die Vertiefungen zwischen den einzelnen Spulenköpfen einbringbar sind. Denkbar ist es ferner, die Anzahl der Pole zu variieren sowie die Anzahl der Phasen oder auch eine Staturbaueinheit mit nur langen Verbindungen der ersten oder zweiten Art aufzubauen. Weiter ist es möglich bei großen Strangquerschnitten anstatt einem Wickeldraht mehrere parallelgewickelte Drähte zu verwenden.
Bezüglich der Herstellung einer derartigen Statorbaueinheit bestehen grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten. Alle sind jedoch dadurch charakterisiert, dass die Statorsegmente einer Statorsegmentkette A bis C, welche vorzugsweise einen Strang einer Phase beschreiben, jeweils nur einen Wickeldraht (oder parallel gewickelte Drähte) 7A, 7B, 7C frei von Unterbrechungen aufweisen, der die in Reihe geschalteten Spulen 6Ai bis 6c4 ausbildet und die Verbindungen zwischen den einzelnen in Reihe geschalteten Spulen 6Ai bis 6c4 möglichst kurz gehalten wird. Die Figur 4 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Details den Verlauf der Verbindungsstrecken am Beispiel der Verbindungsstrecke 12A bei der Herstellung und als vorgefertigte Statorsegmentkette A. Die Figur 6 verdeutlicht anhand eines Signalflußbildes den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung einer Statorbaueinheit 1.
Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt VA bei allen Ausführungen die Statorsegmente einer Statorsegmentkette bereitgestellt und an einem Wickelwerkzeug zueinander ausgerichtet. Die Anordnung am Wickelwerkzeug ist schematisiert stark vereinfacht beispielhaft in Figur 4 für die Statorsegmentkette A wiedergegeben. Die Ausrichtung der einzelnen Statorsegmente 2Ai bis 2A4 entspricht im Wesentlichen bezogen auf die Umfangsrichtung der Lage, in welcher die Statorsegmente auch in der fertigen Statorbaueinheit 1 zueinander ausgerichtet sind, wobei die einzelnen über die lange Verbindungsstrecke 12A miteinander zu verbindenden Statorsegmentpaare 8A und 9A in einer Ebene oder in der tatsächlichen Lage am hier nicht dargestellten Träger eines Wickelwerkzeuges angeordnet sind. Die Ausrichtung in axialer Richtung kann jedoch unterschiedlich ausgeführt sein. Dabei werden Ausführungen der Bewicklung der Statorsegmente einer Statorsegmentkette mit feststehendem Träger und feststehendem Statorsegment und in Umfangsrichtung um die einzelnen Statorsegmente führbaren Wickelnadel zur Führung des Wickeldrahtes und Ausführungen mit gegenüber dem Wi- ckeldraht rotierendem Statorsegment unterschieden. Vorzugsweise erfolgt die Führung des Wickeldrahtes 7A jedoch mittels einer Wickelnadel um ortsfeste Statorsegmente.
Figur 4 verdeutlicht die fertig gestellte Wicklung der Statorsegmentkette A an der nicht dargestellten Trägereinrichtung des nicht dargestellten Wickelwerkzeuges. Dargestellt sind lediglich die Tragachsen T1 bis T4 für die einzelnen Statorsegmente. Die Tragachsen T1 , T2 und T3, T4 für die einander unmittelbar in Umfangsrichtung benachbarten Statorsegmente 2M , 2A2 und 2A3, 2A4 sind in einem Winkel zueinander angeordnet, wobei jeweils der Jochbereich 3 der Statorsegmente des in Umfangsrichtung benachbarten Statorsegmentes 2^ und 2A4 aus der Axialebene in einem Winkelbereich von vorzugsweise 20 Grad bis 90 Grad gegenüber dem vorhergehenden Statorsegment 2Aiund 2A3 herausgeklappt ist. Bei Statorsegmentgruppen mit einer Vielzahl von Statorsegmenten, die über kurze Verbindungsstrecken erster Art miteinander zu koppeln sind kann die Anordnung und Ausrichtung am Werkzeug wechselweise gegeneinander verkippt erfolgen. An diesen Trag- und Fixierachsen werden die Statorsegmente angeordnet und fixiert und im nachfolgenden Verfahrensschritt VB der Wickeldraht 7A in der gewünschten Weise um die einzelnen Statorsegmente 2Ai, 2A2 und 2A3, 2A4 der Statorsegmentkette A nacheinander geführt. Dabei werden die in Umfangsrichtung einander benachbart angeordneten Statorsegmente 2A , 2/^ und 2A3, 2A4 jeweils in unterschiedlicher Richtung umwickelt. Abweichend von den Statorsegmentketten in den Figuren 1 bis 3 wird in Figur 2 die Herstellung einer Statorsegmentkette dargestellzt die nach der ersten Spule eine kurzen Verbindung der 2. Art 13A aufweist und anschließend nach der zweiten Spule eine lange Verbindung der ersten Art und nach der dritten Spule eine kurze Verbindung der ersten Art. Die Reihenfolge der Statorsegmentpaare 8A und 9A ist somit vertauscht. Die in der Figur 2 dargestellte kurze Verbindung 1 1 A wird hier durch die entsprechende Führung des Wickeldrahtes 7A aus dem in Einbaulage radial inneren Bereich des Statorsegmentes 2A in den in radialer Richtung äußeren Bereich, welcher aus der Axialebene herausgeklappt wurde, am Statorsegment 2A2 und damit der Folgespule 6/^ realisiert. Entscheidend ist, dass bei Überführung der Wickelsinn geändert wird. Ist gemäß Figur 1 die Statorsegmentkette A durch in Umfangsrichtung zueinander beabstandet beziehungsweise vorzugsweise gegenüberliegende Statorsegmentpaare charakterisiert, wird zur Realisierung der langen Verbindungsstrecke 13A der Übergang zwischen den Statorsegmentgruppen 8A, 9A an der Trägereinrichtung diese ebenfalls vorzugsweise an einem kreisförmigen Segment oder einer ebenen Fläche entlang geführt. Die anderen Statorsegmentketten B, C können analog hergestellt werden. Die Tragachsen können in einer vorteilhaften Werkzeugvariante nach dem Bewickeln der Statorsegmente derart gekippt werden, dass sich der Öffnungswinkel zwischen den Polköpfen der benachbar- ten Statorsegmenete auf den endgültigen Wert verringert und sich der angestrebte kleine Nutschlitz einstellt.
Nach erfolgtem Umwickeln und Erzeugung der einzelnen in Reihe geschalteten Spulen durch einen einzigen Wickeldraht 7A bis 7C für die einzelnen Statorsegmentketten A bis C liegen diese in vormontierter Form vor, die nunmehr im Verfahrensschritt VC zu einem ringförmigen Joch 3 ausrichtbar sind. Dabei kann die Montage, Ausrichtung und/oder Befestigung einer einzelnen Statorsegmentkette A bis C, hier beispielsweise für die Statorsegmentkette B, dargestellt in Figur 5 durch eine einfache Einschubbewegung in axialer Richtung erfolgen. Die einzelnen Statorsegmente 2Bi , 2B2 und 2B3, 2B4 werden dabei in eine axiale Ebene geklappt, in welcher diese in radialer Richtung ausgerichtet sind.
Für die nächste zu montierende Statorsegmentkette A oder C sind dann schon eine Mehrzahl überlagerter Bewegungen erforderlich, um eine Montage zu gewährleisten, wobei es sich hier Axial- und Radialbewegung handelt, während für die letzte Statorsegmentkette A oder C dann eine entsprechende weitere Richtungskomponente zur Montage erforderlich ist. Insbesondere bedarf es zur Montage der letzten Statorsegmentkette einer kurzzeitigen Auslenkung der Statorsegmentpaare in radialer Richtung.
Je nach Ausführung der Verbindung zwischen den Jochbereichen der Statorsegmente kann diese kraft- oder formschlüssig erfolgen und damit lösbar oder auch unlösbar ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung ist anhand eines Signalflussbildes in der Figur 6 wiedergegeben. Figur 6 verdeutlicht dabei im Verfahrensschritt VA die Bereitstellung des Werkzeuges und die Ausrichtung der einzelnen Statorsegmente am Werkzeug und Verfahrensschritt VB den Wickelvorgang und im Verfahrensschritt VC die Montage zu einem Ring der in ein Gehäuse eingefügt werden kann. Bezugszeichenliste Statorbaueinheit
ΑΊ - 2A4 Statorsegmente
Bi - 2B4 Statorsegmente
Ci - 2C4 Statorsegmente
Joch
Stossstelle
AI - 6A4 Spule
Bi - 6B4 Spule
Ci - 6C4 Spule
A, 7B, 7C Wickeldraht
A1 erster Endbereich
A2 zweiter Endbereich
B1 erster Endbereich
B2 zweiter Endbereich
C1 erster Endbereich
C2 zweiter Endbereich
A, 8B, 8C Statorsegmentpaar
A, 9B, 9C Statorsegmentpaar
0A, 10B, 10C kurze Verbindung erster Art innerhalb des Statorsegmentpaares 8A, 8B,
8C
1A, 11 B, 11C kurze Verbindung zweiter Art innerhalb der Statorsegmentpaare 9A, 9B,
9C
2A, 12B, 12C lange Verbindung zweiter Art zwischen den Statorsegmentpaaren 8, 9 3A lange Verbindung erster Art
4A Nut
5 Innenumfang
6.1 - 16.3 Kreuzungspunkt
7 Oberlage, Oberwicklung
8 Nut
9 Flächenbereich
0 Unterlage, Unterwicklung
1 Freiraum A, B, C Statorsegmentketten M Mittenachse
T1-T4 Tragachsen VA, VB, VC Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Statorbaueinheit (1 ) für mehrphasige elektrische Maschinen mit einer Vielzahl von einzelnen, in Umfangsrichtung zueinander beabstandet unter Ausbildung von Nuten (14A, 18) angeordneten und mit Spulen (6A1-6A4, 6B1-6B4.6C1-6C4) bewickelten weichmagnetischen Statorsegmenten (2A1-2A4, 2B1-2B4,2C1-2C4), wobei mindestens zwei Spulen (6A1-6A4, 6B1-6B4,6C1-6C4) einer Phase in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Statorsegmente (2A1-2A4, 2B1-2B4.2C1-2C4) einer Phase mindestens eine Statorsegmentkette (A, B, C) bilden, wobei deren Spulen (6A1-6A4, 6B1-6B4,6C1-6C4) und die Verbindung der Spulen (6A1-6A4, 6B1- 6B4,6C1-6C4) untereinander von einem durchgängigen Wickeldraht ( 7A, 7B, 7C) oder von wenigstens zwei parallel gewickelten Wickeldrähten (7A, 7B, 7C) gebildet werden.
2. Statorbaueinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise alle Verbindungsstrecken (10A, 10B, 10C, 11A, 11 B, 11C, 12A, 12B, 12C) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulen (6Ai-6A4, 6Bi-6B4,6ci-6c4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) zur Stirnfläche der Statorsegmente (2Ai-2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) einen Abstand in axialer Richtung aufweisen, welcher den maximalen Abstand der äußeren Lage (17) der einzelnen Spule (2A -2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) zur Stirnfläche der Statorsegmente (2A -2A4i 2B1-2B4,2ci-2C4) um weniger als eine Wickeldrahtstärke übertrifft.
3. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise alle Verbindungsstrecken (10A, 10B, 10C, 11A, 11 B, 11C, 12A, 12B, 12C) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulen (6A1-6A4, 6Bi-6B4,6ci-6c4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) zur Stirnfläche der Statorsegmente (2Ai-2A4, 2Bi- 2B4,2Ci-2c4) einen Abstand in axialer Richtung aufweisen, welcher höchstens dem maximalen Abstand der äußeren Lage (17) der einzelnen Spule (2A1-2A4, 2Bi-2B4,2ci-2c4) zur Stirnfläche der Statorsegmente (2A1-2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) entspricht.
4. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Statorsegmente (2A1-2A4, 2B -2B4,2Ci-2c4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) in Umfangsrichtung einander unmittelbar benachbart angeordnet sind, wobei die Spulen (6A -6A4, 6Bi-6B4,6Ci-6c4) dieser Statorsegmente (2A -2A4, 2Bi-2B4,2ci-2c4) einen gegenläufigen Wickelsinn aufweisen und die Verbindung zwischen den Spulen (6A -6A4, 6Bi-6B4,6Ci - 604) durch eine kurze Verbindungsstrecke erster Art oder zweiter Art (10A, 10B, 10C, 11A, 11B, 11C) beschreibbar ist, wobei bei Verbindungsstrecken erster Art (10A, 10B, 10C) die im Phasenstrang vorgeordnete Spule (6AI-6A4, 6BI-6B4.6CI - 6C4) nach dem Durchgang durch die gemeinsame Nut zum nachgeordneten Statorsegment (2AI-2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) endet, während bei Verbindungsstrecken zweiter Art (11A, 1 1 B, 1 1 C) die im Phasenstrang vorgeordnete Spule (6Ai-6A4, 6BI-6B4,6CI - 604) vor dem Einlauf in die gemeinsame Nut zum nachgeordneten Statorsegment (2Ai-2A4, 2Bi- 2B4,2ci-2C4) endet und der Wickeldraht (7A, 7B, 7C) über die vorgeordnete Spule (6A1- 6A4i 6Bi-6B4,6ci - 604) geführt werden muss.
5. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorsegmente (2A -2A4, 2B -2B4,2ci-2C4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) in Um- fangsrichtung um mehr als ein Statorsegment, vorzugsweise 180 Grad zueinander versetzt angeordnete Statorsegmentgruppen (8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C) aus jeweils zumindest einem Statorsegment (2Ai-2A4, 2B1-2B4,2ci-2C4) bilden, und die Verbindung zwischen den Statorsegmentgruppen (8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C) durch eine lange Verbindungsstrecke erster oder zweiter Art (12A, 12B, 12C) beschreibbar ist, wobei bei Verbindungsstrecken erster Art die letzte Spule (6A -6A4, 6B1-6B4,6ci - 604) einer Statorsegmentgruppe (8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C) nach dem Durchgang durch die gemeinsame Nut zum nachgeordneten Statorsegment (2A -2A4i 2B -2B4,2ci-2C4) einer anderen Statorsegmentkette (A, B, C) endet, während bei Verbindungsstrecken zweiter Art (1 1A, 11 B,
1 1 C) die letzte Spule (6Ai-6A4, 6B -6B4,6Ci - 6C4) einer Statorsegmentgruppe (8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C) vor dem Einlauf in die gemeinsame Nut zum nachgeordneten Statorsegment (2A1-2A4, 2B1-2B4,2ci-2c4) einer anderen Statorsegmentkette (A, B, C) endet und der Wickeldraht (7A, 7B, 7C) über diese Spule (6Ai-6A4, 6Bi-6B4,6ci - 604) geführt werden muss.
6. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich der die Verbindung zwischen zwei Spulen (6Ai-6A4 6B1- 6B4,6Ci-6c4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) beschreibenden Verbindungsstrecken (10A, 10B, 10C, 1 1 A, 11 B, 1 1 C, 12A, 12B, 12C) zumindest teilweise in radialer Richtung in der Vertiefung (14A, 18) zwischen zwei in Umfangsrichtung einander benachbart angeordneten Spulenköpfen der Spulen (6AI-6A4, 6BI-6B4,6CI-6C4) von Statorsegmenten (2AI-2A4, 2b1-2B4,2CI-2C4) verlaufen.
7. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich der die Verbindung zwischen zwei Spulen (6A1-6A4i 6B - 6B4,6ci-6C4) einer Statorsegmentkette (A, B, C) beschreibenden Verbindungsstrecken (10A, 10B, 10C, 1 1A, 1 1 B, 1 1 C, 12A, 12B, 12C) zumindest teilweise in tangentialer Richtung im radial inneren Bereich der Spulen (6Ai-6A4, 6Bi-6B4,6ci-6c4) verlaufend und in axialer Richtung innerhalb der Erstreckung der Windungen der äußeren Lage (17) einer Spule (6AI-6A4, 6BI-6B4,6CI-6C4) angeordnet ist.
8. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungsbereiche (16.1 , 16.2, 16.3) der langen Verbindungsstrecken (12A, 12B, 12C) zweier Statorsegmentketten (A, B, C) in den Vertiefungen zwischen den Spulenköpfen der Spulen (6A1-6A4, 6B1-6B4, 6C1-6C4) zweier benachbarter Statorsegmente (2A1-2A4, 2B1-2B4, 2C1-2C4) angeordnet sind.
9. Statorbaueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Statorsegmente (2Αι-2Α4, 2Βι-2Β4, 201-204) orthozyklisch gewickelt sind.
10. Verfahren zur Herstellung von Statorbaueinheiten (1 ) aus einzelnen bewickelten Statorsegmenten (2Ai-2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) durch Ausrichten und Befestigen an einem diese aufnehmenden Gehäuses, insbesondere Jochs (3); dadurch gekennzeichnet, dass vorgefertigte Statorsegmentketten (A, B, C) durch folgende Verfahrensschritte bereitgestellt werden:
- Bereitsteilung und Positionierung von zu bewickelnden Statorsegmenten (2Ai-2A4, 2Bi- B4,2CI-2C4) an einem Wickelwerkzeug unter Positionierung einander in Einbaulage in Umfangsrichtung benachbarter Statorsegmente (2A-i-2A4, 2BI-2B4,2CI-2C4) an gegeneinander verkippten Tragachsen (T1-T4);
- Erzeugung der Spulen (6AI-6A4, 6b -6B4,6CI-6C4) der einzelnen Statorsegmente (2Ai- 2A4, 2b1-2B4,2CI-2C4) aus einem Wickeldraht (7A, 7B, 7C) oder parallel gewickelten Drähten;
- Verkippung der einzelnen bewickelten Statorsegmente (2Ai-2A4, 2B1-2B4,2Ci-2c4) in eine Winkelposition zueinander, die diese in der endgültigen Statorbaueinheit einnehmen; und die einzelnen derart erzeugten Statorsegmentketten (A, B, C) nacheinander in einem Aufnahmewerkzeug oder einem gemeinsamen Joch ausgerichtet und fixiert werden.
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